供风量与气泡帷幕层数协同下水中爆炸冲击波的削波效果

2024-02-24杜明燃陈智凡陆少锋李基锐王尹军王天照陈宇航

高压物理学报 2024年1期

杜明燃，陈智凡，陆少锋，梁进，李基锐，王尹军，王天照，陈宇航

（1.安徽理工大学化学工程学院, 安徽淮南 232001；2.广西壮族自治区水下破岩工程研究中心, 广西南宁 530200；3.广西新港湾工程有限公司, 广西南宁 530200；4.矿冶科技集团有限公司, 北京 100160）

随着基础建设规划的持续推进，我国对水路交通的要求越来越高。水下爆破技术因其成本低、效率高等特点，被广泛运用于港口、桥梁等水利水电工程建设。与其他介质中的爆炸冲击波不同，水下爆炸产生的冲击波具有峰值压力更高、影响范围更广和毁伤效应更强的特性[1-2]，成为水下爆破技术的主要危害因素之一。如何减小水中冲击波对周围环境的影响是目前水下爆破工程领域亟待解决的主要问题之一[3-4]。

为减少水中冲击波对周围环境的危害，加拿大的Adolph 工程师在Oratario 核电站的水下爆破施工中采用了气泡帷幕技术，由于其对水中冲击波优异的削减效果，得到了行业内的广泛认可和应用[5]。国内学者也对气泡帷幕的削波作用开展了研究。贾虎等[6]采用小波包分解技术分析了气泡帷幕试验，发现气泡帷幕能有效衰减爆炸冲击波压力峰值。司剑峰[7]分析了气泡帷幕防护机理与气泡之间的关联，发现单位区域内的气泡数量越多，防护效果越好，当气泡数量增加到一定值后，防护效果趋于稳定。陆少锋等[8]开展了气泡帷幕现场试验，发现气泡帷幕对水下冲击波的削弱效果与供风量成正比。谢金怀等[9]研究了气泡帷幕对声波的衰减效果，发现气泡帷幕的气流量越大，气泡帷幕对声波的衰减效果越强。范怀斌等[10]研究了一管多排孔气泡帷幕发生器的削波情况，发现增加气孔排数能提高气泡帷幕的阻波率。刘欣等[11]建立了气泡帷幕防护的简化深水岩石钻孔爆破数值模型，通过分析峰值压力和比冲量得到了气泡帷幕对水中冲击波的衰减特性。张成兴等[12]和鲁天龙[13]利用数值模拟得到了静水中气泡帷幕产生水平流的特性和气泡的流动特性。刘天云等[14]利用LS-DYNA 软件对水下钻孔爆破进行数值模拟，发现气泡帷幕离爆炸源较近时，对水中冲击波的削减效果更好。谢达建等[15]利用LS-DYNA 软件建立了水下钻孔爆破模型, 据此分析了长江九朝段炸礁工程中气泡帷幕的设置距离对削波效果的影响，发现离被保护对象较近处设置气泡帷幕的防护效果更好。胡亚峰等[16]针对爆炸试验水池强度设计问题，利用非线性动力学程序LS-DYNA 对10 kg TNT 爆炸后的水中冲击波传播规律及爆炸水池结构的动态响应情况进行了数值模拟，对空气桶和气泡帷幕削弱水中冲击波的能力进行了定量计算，为相关爆炸水池的工程设计提供了参考。

综上所述，气泡帷幕的削波效果与众多因素有关，其中气泡帷幕供风量和层数作为工程实践中常被考虑的因素，在操作过程中往往会产生协同作用。为此，本研究将综合考虑实际工程的经济效益与水下复杂环境问题，分析气泡帷幕供风量与层数对水中冲击波的衰减效果，以期找到最优的衰减方案以保护水下生态环境及水下建筑。

1 现场试验

1.1 试验仪器

试验仪器包括American company of LeccoHD4096 型示波器、PCB-MODEL-482-SERIES 型恒流源和MODEL-138A05 Serial-12275 型传感器。

气泡帷幕发生器进气口与空压机出气口相连，它们之间有用于计量供风量的气体流量计。气泡帷幕发生管两端均连接分流器，分流器上配备独立阀门，使每个气泡帷幕发生管独立开启或同步开启，如图1 所示。分流器进出气口、直角三通、气泡帷幕发生管的内径均为10 mm，外径均为12 mm。供风软管的内径为12 mm，外径为14 mm。气泡帷幕发生管长为1 m，钻单排孔，孔距为0.040 m，孔径为0.002 m。气泡帷幕发生管之间的距离为7 cm。

图1 气泡帷幕发生器Fig.1 Bubble curtain generator

首先将气泡帷幕发生器的进气口与爆炸水箱侧边空压机连接，然后打开2 个分流器上1 排管对应的2 个阀门，再将气泡帷幕发生器置于爆炸水箱底部，固定位置后打开空压机进行供风，约1 s 后气泡帷幕发生管就充满空气，空气从气泡帷幕发生管孔洞中排出形成气泡，气泡由小变大慢慢上升，最终形成一层气泡帷幕。同理，打开2 排或3 排气泡帷幕发生管的阀门，通气后距离通气口最近的气泡帷幕发生管先产生气泡，2～3 s 后其余气泡帷幕发生管产生气泡，待气泡稳定后，便形成2 层或3 层气泡帷幕。现场试验中，气泡帷幕发生器的作用效果如图2 所示。

图2 现场试验中气泡帷幕发生器的作用效果Fig.2 Effect of bubble curtain generator in field test

1.2 试验过程

为了研究气泡帷幕的供风量和层数对水中冲击波衰减作用的协同关系，设置气泡帷幕发生器的供风量（v）为30、60、90 L/min，气泡帷幕层数（n）分别为1、2、3，观察其对水中冲击波的衰减效果。试验在边长为1.20 m 的立方体水箱中进行，由于水箱所能承受的TNT 当量有限，因此采用一枚1.02 g TNT 当量的标准8 号电雷管作为爆炸源。爆炸源距水箱边缘0.20 m，悬吊在距水箱上支撑架0.60 m 的位置，爆炸源与传感器位于同一水平线上[17]。气泡帷幕中心位置与药包的距离为0.45 m，在距爆心0.90 m 处布置传感器。试验布置如图3 所示。试验设计方案如表1 所示。

表1 试验设计方案Table 1 Design scheme of field test

图3 现场布置示意图Fig.3 Schematic diagram of test arrangement

2 试验结果与数据分析

2.1 供风量对削波效果的影响

为研究供风量对气泡帷幕削波效果的影响，首先设置无气泡帷幕的空白对照组。由于试验在边长为1.20 m 的立方水箱中进行，存在边界条件，因此水下冲击波会产生一些不规则的折射或反射，导致气泡脉动的压力波形出现波动。考虑到本研究主要探讨气泡帷幕对冲击波峰值压力的削减作用，未涉及气泡脉动压力，因而在讨论冲击波压力时程曲线时不考虑气泡脉动。试验测得的冲击波压力时程（p-t）曲线如图4 所示。可见，试验1 和试验2 的冲击波峰值压力分别为3.907 和4.158 MPa，取其平均值4.033 MPa 作为对照。爆炸冲击波的衰减公式[18-19]为

图4 空白对照组的冲击波压力时程曲线Fig.4 Time histories of shock wave pressure in blank control group

式中:pm为水下爆破冲击波的峰值压力，Q为水下裸爆装药量，R为爆心距（爆炸中心到测点的距离），α为与爆区水体环境有关的衰减指数。由式(1)可以看出，在常规条件下，水下冲击波的峰值压力仅与药量和爆心距有关。

定义冲击波峰值压力的衰减率A

式中：pb为无气泡帷幕（空白组）时的冲击波峰值压力，pt为有气泡帷幕时的冲击波峰值压力。本试验中pb=4.033 MPa。

按照图3 所示，设置单排管（即气泡帷幕数n=1），选取30、60、90 L/min 3 个供风量，每组试验测试2 次，所得冲击波压力时程曲线如图5 所示，冲击波峰值压力和平均峰值压力pm列于表2。

表2 不同层数气泡帷幕条件下水下冲击波峰值压力Table 2 Peak pressure of underwater explosion shock wave under different layers of bubble curtains

图5 供风量为30、60、90 L/min 时的冲击波压力时程曲线Fig.5 Time histories of shock wave pressure with air supply volume of 30，60 and 90 L/min

当供风量为30、60、90 L/min 时，冲击波峰值压力的平均值分别为2.030、1.524、0.778 MPa，平均衰减率分别为49.67%、62.21%、80.71%，即随着供风量的增加，气泡帷幕的削波效果增强。这说明对于单层气泡帷幕，提高气泡密度可以很好地增强削波效果。从图5 还可以看出，随着供风量的增加，冲击波压力时程曲线的振荡明显增强，冲击波持续时间也明显延长。这是因为气泡密度随着供风量的增加而增大，当水下冲击波遇到密度增大的气泡墙时，发生的不规则反射和折射也会越来越明显，导致传感器测得的压力时程曲线振荡增强，与冯沐桦[20]得到的多层气泡帷幕削波效果随供风量的增加而增大的结果一致。

2.2 气泡帷幕层数对削波效果的影响

在供风量为30、60 和90 L/min 的条件下，分别开启1、2、3 层气泡帷幕发生管，传感器测得的冲击波峰值压力及其衰减率如表2 所示。图6 给出了供风量为30 L/min、不同气泡帷幕层数时的冲击波压力时程曲线。

图6 供风量为30 L/min、不同气泡帷幕层数时的冲击波压力时程曲线Fig.6 Time histories of shock wave pressure under different layers of bubble curtains with the air supply volume of 30 L/min

由表2 和图6 可以看出：气泡帷幕可以很好地削弱水中冲击波，衰减率最大可以达到90%以上；随着供风量的提高，衰减效果越来越好；在相同的供风量下，随着气泡帷幕层数增加，气泡帷幕对水中冲击波的衰减效果越来越好，说明增加气泡帷幕宽度可以很好地缓冲水下冲击波。

2.3 供风量与气泡帷幕层数的协同关系

在固定供风量的情况下，设有i层气泡帷幕时的峰值压力为pi，有i+1 层气泡帷幕时的峰值压力为pi+1，则相邻气泡帷幕层数之间的峰值压力衰减效率Bi可以表示为

式中：i取1 和2。

由表2 得到Bi与供风量v的关系，如图7 所示。可以看出，当供风量较小（如30、60 L/min）时，随着气泡帷幕层数的增加，B2小于B1，即衰减效率越来越低；当供风量较大（如90 L/min）时，随着气泡帷幕层数的增加，B2大于B1，即衰减效率越来越高。

图7 相邻层数之间的衰减效率BiFig.7 Attenuation efficiency Bi between adjacent layers

在固定气泡帷幕层数的情况下，设供风量为j的峰值压力为pj，供风量为(j+30) L/min 时的峰值压力为pj+30（j=30, 60），则相邻梯度供风量之间的峰值压力衰减效率Cj可以表示为

由表2 得出的Cj随气泡帷幕层数的变化如图8 所示。可以看出，2 层气泡帷幕时，随着供风量的增加，冲击波峰值压力的衰减效率都较小，衰减效果的增加不明显。

图8 相邻梯度供风量之间的衰减效率CjFig.8 Attenuation efficiency Cj between adjacent air supply volumes

由表2 可知，单层气泡帷幕在低供风量时的削波效果有限，并且考虑到实际工程实践中的布置环境复杂，无法保证气孔均朝上，甚至有的气孔被水底淤泥堵塞，因此采用多层气泡帷幕更合理。2 层或3 层气泡帷幕都可以达到很好的衰减效果，结合气泡帷幕发生器的成本问题，采取2 层气泡帷幕将获得更好的实际效益。通过图8 可知，在形成2 层气泡帷幕的情况下，随着供风量的增加，冲击波峰值压力衰减率的增加不明显，所以不建议选择90 L/min 的供风量。从图7 可以看出，当供风量较小时，随着气泡帷幕层数的增加，衰减效率越来越低，因而3 层气泡帷幕不适用。通过表2 可知，2 层气泡帷幕、供风量为30 和60 L/min 时的衰减率分别为76.74%和79.62%，相差不大，因此，选择30 L/min 的供风量比较合适。综上所述，设置2 排气泡帷幕发生管，选择供风量为30 L/min 时，所产生的气泡帷幕兼具较好的衰减效果和较低的经济成本。